Microfluidics 和生物醫學的應用

Xianghong Ma 博士

Xianghong Ma 博士,主任、生物醫學工程工程研究小組、學校和應用科學,阿斯頓大學。 對應的作者: x.ma@aston.ac.uk

Microfluidics 是在 MEMS (微電動機械的系統) 內的一個研究領域和與流體流的控制在微,納諾評定的有關,甚至 Pico,公升,數量。 流體可以是液體或氣體的本質上或者兩個的混合物,并且流經微小等級通道、泵、閥門和補白。

這些 microfluidic 設備在硅或玻璃可以被製造使用從半導體行業適應的照相平版印刷和蝕刻技術,或者從有機材料例如塑料和聚合物 [1,2]。

Microfluidic 設備為處理要求仅少量的範例和試劑和團隊大表面對數量比例。 另外,自動化快速回應時間和方便做應用的 microfluidic 設備理想在生物醫學工程方案。

Microfluidics 是用途廣泛在總分析系統的發展 (或實驗室在籌碼設備) [23],特別地為藥物審查在工業製藥和在微陣列 [4 的] 發展。 技術迅速地成熟從事蒼勁的研究工作在過去 20 年期間。 在不久的將來,我們將看到往滿足特殊需要,可能是臨床的,配藥被剪裁的 microfluidic 設備的生產的一個生長趨勢,或者生物技術學。

其中一種 microfluidics 的最有為的應用在生物醫學工程的在點關心診斷。 進入重要範例準備階段,被瞄準的生物細胞需要從在這個範例的其他物質分隔。 按常規,細胞在能流動的暫掛可以分隔,根據範圍,密度,電荷,輕分散屬性和抗原表面屬性。 分隔根據這些衡量標準的細胞可能要求複雜技術和專家設備。 這樣技術包括分離,熒光排序被激活的細胞,電泳法、色譜法、親合力分隔和磁選。 當執行範例準備的一個獨立設備分配, Microfluidic 解決方法順利地被設計了對集成上述技術,或者對功能。

一個有趣示例是那排序 spermato 基因的細胞的一個 microfluidic 濾清設備支持 IVF (體外受精) 和 ICSI (胞內質的精液射入) 進程 [5]。 在某些情況下男性系數不育,一個唯一可行的精子發生的細胞必須從切片檢查法藥丸被檢索,以便它可以直接地被注射到卵母細胞。 切片檢查法藥丸包含各種各樣的組織和生殖細胞的範圍從到期日所有順序的。 查找 ICSI 的可行的細胞的進程可以費時,要求介入的幾小時密集工作手動地剁碎這個藥丸,連續的細胞分隔循環通過離心法和單個細胞歧視。 生殖細胞變得小作為他們成熟,開始作為一大來回 spermatogonion 16~18µm 和結束作為一個小和苗條精子 4~6µm。 使用此特性,一个可能打算分開精子發生的細胞成不同的成熟類別根據他們的範圍以快速和高效率的方法。

如圖 1 所顯示,這個 microfluidic 解決方法是有收集單獨的井細胞的不同的類型通過逐漸減少補白空白分隔的一個被動平面 DRIE (深刻的易反應的離子蝕刻) microfabricated 設備 [6 個]。 可變的暫掛通過與常規微細操作工具的中央水庫存款。

圖 1 : 掃描一個非保稅的補白設備的電子顯微鏡術圖像,查看從濾清端、陳列線性通道和補白細分市場放熱從中央水庫 [6]。

通過表面的屬性的仔細控制與流體聯繫和通過利用 microfluidic 流的層流本質,補白使用工作流體的表面張力通過設備驅動這個範例。

設備縮放比例允許通常防止在這個宏觀級別的流體流動通過濾波元件有效地畫這個範例強制的利用率,不用對外部能源的需要。

在設備的實驗測試,發現 0.5µl 與大約 1500 個微粒的 microfluid 可能過濾在少於 1 秒的設備。

圖 2 顯示分隔 3µm 和 10µm 微球體混合物的結果,微粒大部分在他們適當的水庫收集。 發現微粒的最佳的濃度在他們適當的收集井內的 3µm 和 84% 的指令 50% 各自 10µm 微粒的。 被處理的細胞的比例證明是他們的遷移的功能通過在批量流體流動內的補白設備。

圖 2. 共焦的圖像 3µm (紅色) 和 10µm (綠色) 微球體混雜的暫掛的分隔使用一個 microfluidic 設備的 在此設計,不同的範圍微通道用於作為表面張力強制補白和提供者通過設備畫這個範例。

此設備提供一定數量的好處。 它生物適合歸結於使用材料例如硅,并且玻璃和它是經濟上一次性的,由於大生產數量的低製造成本,因而消滅範例汙穢。

另外,當地氧化物定金的親水本質在設備的血絲的內意味著他們是實際上無害的對細胞和蛋白質 [7]。 自己供電的血絲抽的技術可以用於進一步操作流體,減少對外部設備的需要。 這樣途徑有潛在通過消滅移動要素和因而使對 的確,抽造成的細胞的潛在的機械故障減到最小提高可靠性和功能,或者出現潛在的熱量的故障從 marangoni 作用抽。

總而言之,實際濾清結構包括在一個被動 microfluidic 系統的啟用是從汙穢或故障解脫的高效處理範例。 這個進程導致對加工時間的明顯減少并且有在自動和高效的微粒分隔的巨大處理在各種各樣生物醫學的應用間的潛在和生物範例。


參考:

[1] 貝克爾, H., Locascio, L.E.,聚合物 microfluidic 設備, Talanta 56 (2002) 267-287。

[2] 鉚釘, C.,等,醫療診斷和生理傳感器的,化學工程科學 (2010), doi Microfluidics :10.1016/j.ces.2010.08.015

[3] M.,細胞處理的,阿斯頓大學 PhD 論文聰明的微系統王子, 2006年。

[4] Situma, C.,橋本 M., S.A. Scoper,合併 microfluidics 與基於微陣列的生物鑒定,生物化子的工程, 23日 2006年, p213-231。

[5] 王子、 M.、 Ma X.,碼頭工人 P.,病區 M., Prewett P.,設計和塑造分隔的精子發生的細胞, ASME 設計工程技術會議,加利福尼亞, 2005年 9月一個微流體過濾器。頁。 475-480. doi :10.1115/DETC2005-85357

[6] M., Ma X.,碼頭工人 P.,病區 M., Prewett P.,一個新穎的生物MEMS 濾清籌碼的發展王子,特定細胞的分隔的在可變的暫掛, IMechE 部 H 的: 工程 J 在醫學, 221(2), 2007年。 p113-128 的。 doi : 10.1243/09544119JEIM190

[7] Chau、 L.K.、 Osborn、 T.、吳、 C.C. 和 Yager, P. Microfabricated 肛門生物的流體光學監控的硅流槽。 Sci。 1999年, 15, 721-724。

Date Added: Sep 11, 2011 | Updated: Jun 11, 2013

Last Update: 14. June 2013 06:47

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